Robottimme on saanut inspiraationsa tavallisista kuun meduusoista. Willyam Bradberry / Shutterstock 

Jotkut viimeisistä koskemattomien ja koskemattomien erämaiden alueista maapallolla ovat merien alla. Silti näitä meriekosysteemejä uhkaa syvänmeren kaivoshankkeet, öljynporauslautat ja merituulipuistot. Kun nämä tilat rakennetaan ja ylläpidetään, niillä on taipumus vahingoittaa ympärillään olevia rikkaita ekologisia verkostoja.

Robotikot ja insinöörit pyrkivät ratkaisemaan tämän ongelman etsimällä uusia tapoja luoda koneita, jotka voivat auttaa korjaamaan, ylläpitämään tai tarkastamaan kasvavan offshore-teollisuuden vedenalaisia ​​komponentteja. Kollegani Thierry Bujardin ja Gabriel Weymouthin johdolla Southamptonin yliopistosta joukkueellani on löysi ratkaisun tähän ongelmaan suunnittelemalla vedenalaisia ​​robotteja, jotka ovat innoittamana luonnon älykkäimpiä uimareita: erittäin tehokkaita kuun meduusoja.

Perinteiset vesirobotit on suunniteltu kahteen päätarkoitukseen: tehokkaaseen, pitkän matkan navigointi avoimilla vesialueilla ja tehtäviin, jotka edellyttävät suurta ohjattavuutta vedenalaisten rakenteiden lähellä. Molemmat robottityypit ovat tehokkaita, mutta harvat robotit yhdistävät tehokkaan matkustamisen korkeaan ohjattavuuteen. Tämä tarkoittaa, että useimmat vesirobotit ovat liian kömpelöitä ja kömpelöitä tukemaan offshore-teollisuutta vahingoittamatta myös merenalaista ympäristöä.

Itse asiassa, kun offshore-kehitys laajenee yhä haavoittuvammiin ympäristöihin, jopa huippumodernit merirobotit kamppailevat selviytyäkseen tehtäviensä monimutkaisuudesta. Paljon tutkimusta on meneillään itsenäisten syvänmeren robottien kehittämiseksi muun muassa Xprize tarjoaa rahoitusta joillekin mielenkiintoisimmista ideoista.

Laivakoneet

Vastatakseen näihin haasteisiin insinöörit ovat pyrkineet tutkimaan biologiaa inspiroimaan vedenalaisen robotin käyttövoiman uusia muotoja. Miljoonien vuosien evoluution jälkeen logiikan mukaan vesieliöiden tulisi tarjota malleja auttaakseen ratkaisemaan vedenalaisen robotin nykyisen sadon heikkoudet.

Kalojen uintimoodista, joka perustuu niiden eri evien räpyttelyyn, on tullut ensisijainen inspiraation lähde niille kokeilla uusia vedenalaisia ​​ajoneuvoja. Meduusojen suosima pulssisuihkutila on kuitenkin yleisesti ottaen maailman tehokkain vedenalainen työntömekanismi, joka tarjoaa entistä vakuuttavamman teknisen ratkaisun, jota robottien on helpompi jäljitellä.

Pulssisuihku perustuu näytteen kehon onton ontelon sykliseen laajenemiseen ja supistumiseen. Tämä järjestelmä ajaa veden nauttimista ja karkottamista, mikä lopulta tarjoaa meduusoille jonkin käyttövoiman.

Yksinkertaisuudesta huolimatta tämä uintistrategia voi johtaa uskomattomaan ketteryyteen ja olla erittäin energiatehokas. Nopein kalmari voi matkustaa 8 metriä sekunnissa käyttämällä pulssisuihkujärjestelmää, kun taas meduusat Aurelia aurita (tunnetaan myös nimellä kuun meduusoja) tiedetään olevan planeetan tehokkain uimari.

Kopioimalla nämä organismit rakentaessamme vedenalaisia ​​robotteja voimme suunnitella uusia vedenalaisia ​​ajoneuvoja, jotka pystyvät yhdistämään korkean ohjattavuuden vertaansa vailla olevaan tehokkuuteen. Meidän Viimeaikainen tutkimus, kehitimme uuden biohenkisen robotin, joka pystyy vastaamaan robotin propulsiotehokkuutta Aurelia aurita. Tätä varten jäljittelimme avaimen periaatetta, jonka avulla meduusat voivat saavuttaa korkean propulsiotehonsa: resonanssin.

Aurelia auritaa tai kuun meduusoja pidetään maapallon tehokkaimpana uimareina. Richard A McMillin / Shutterstock

Resonanttinen robotiikka

Resonanssi on fyysinen ilmiö, jota tavallisesti esiintyy monissa jokapäiväisissä toiminnoissa, kuten kävely, pelaaminen keinulla ja jopa laulaa. Jos katsomme esimerkiksi heiluvaa heiluria, tiedämme kokemuksesta, että se jatkaa värähtelyä, kunnes se lepää, riippuen painovoiman määräämässä pystysuorassa asennossa. Taajuutta, jolla heiluri värisee, kutsutaan sen "luonnolliseksi taajuudeksi".

Kokemuksesta tiedämme myös, että jos haluamme pitää heilurin värähtelevän, helpoin tapa tehdä se on antaa sille hyödyllinen työntely joka kerta, kun se saavuttaa värähtelynsä korkeimman pisteen, aivan kuten me teemme, kun työnnämme lasta korkeammalle vauhdissa. Kun teemme tämän, annamme heilurin tai keinun "resonoida".

Joten, resonanssi esiintyy, kun ulkoinen voima vaikuttaa järjestelmään sen luonnollisella taajuudella, mikä saa järjestelmän saavuttamaan suuremmat amplitudivärähtelyt murto-osalla tarvittavasta voimasta. Se tekee resonanssilla toimimisesta niin tehokasta. Sovellimme samaa periaatetta meduusojen innoittaman robotin käyttövoimaan.

Oletimme, että suunnittelemalla robotti-meduusat, joilla on joustava propulsiojärjestelmä, voisimme hyödyntää kyseisen elastisen luontaisen taajuuden ajamaksemme mekanismin resonanssiin. Resonanssina robotti lähettäisi voimakkaita pulssisuihkuja murto-osalla energiakustannuksista.

Kehittämällä robotilla on joustava sisäkammio, joka laajenee ja romahtaa sateenvarjomaisen mekanismin vaikutuksesta. Testatessaan vesisäiliössä robotin havaittiin lisäävän uintinopeuttaan, kun sen pulssinopeus lähestyi robotin meduusan elastisen kammion luonnollista taajuutta. Se osoitti, että robotti meduusamme oli saavuttanut resonanssin.

Itse kuljettavan järjestelmän tehokkuus, olipa se mekaaninen tai biologinen, perustuu yhtälöön, jossa yhdistyvät absorboitu teho, järjestelmän nopeus ja massa. Kun sitä sovelletaan robottiimme, tämä yhtälö asetti robotti-meduusamme samalle tasolle Aurelia aurita meduusa.

Tämä on silmiinpistävä tulos, jolla on kaksinkertainen vaikutus. Toisaalta se osoittaa ensimmäistä kertaa, että mekaanisella järjestelmällä voidaan saavuttaa luonnon uimareiden propulsiotehokkuus. Toisaalta robotti on selittänyt biologisten kollegoidensa erinomaisen uinnin - mikä voi nyt auttaa biologeja palaamaan meduusojen ja kalmarien tutkimiseen aivan uudella näkökulmalla.

Robotin meduusamme tarjoaa järjestelmän, jonka innoittamana ovat luonnon tehokkaimmat uimarit, prototyypin dynaamisesta ja tehokkaasta vedenalaisesta robotista, jota merituuliteollisuus voi jonain päivänä käyttää ylläpitääkseen infrastruktuurinsa osia aaltojen alla.

Tietoja Tekijät

Francesco Giorgio-Serchi, kansleri, robotiikan ja autonomisten järjestelmien jäsen, Edinburghin yliopisto

Tämä artikkeli päivitettiin 24. helmikuuta 2021 hyväksi Southamptonin yliopiston tiimille, joka työskenteli myös tämän tutkimuksen parissa.

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

Liittyvät kirjat

Laskutus: Kaikkein kattavin suunnitelma, jota koskaan ehdotettiin maailmanlaajuisen lämpenemisen kääntämiseksi

Paul Hawken ja Tom Steyer
Laajasti levinneen pelon ja apatian edessä kansainvälinen tutkijoiden, ammattilaisten ja tutkijoiden koalitio on koonnut tarjoamaan joukon realistisia ja rohkeita ratkaisuja ilmastonmuutokseen. Tässä on kuvattu sata tekniikkaa ja käytäntöä - jotkut ovat hyvin tunnettuja; jotkut, joita et ole koskaan kuullut. Ne vaihtelevat puhtaasta energiasta tyttärien kouluttamiseen pienituloisissa maissa maankäytön käytäntöihin, jotka vetävät hiiltä pois ilmassa. Ratkaisut ovat olemassa, ovat taloudellisesti kannattavia ja yhteisöt kaikkialla maailmassa toteuttavat niitä taitavasti ja päättäväisesti. Saatavana Amazon

Ilmastoratkaisujen suunnittelu: Poliittinen opas vähähiiliseen energiaan

Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Koska ilmastonmuutoksen vaikutukset ovat jo kohdanneet, tarve vähentää maailmanlaajuisia kasvihuonekaasupäästöjä on kiireellistä. Se on pelottava haaste, mutta tekniikat ja strategiat sen täyttämiseksi ovat olemassa tänään. Pieni joukko energiapolitiikkoja, jotka on suunniteltu ja toteutettu hyvin, voivat viedä meidät polulle vähähiiliseen tulevaisuuteen. Energiajärjestelmät ovat suuria ja monimutkaisia, joten energiapolitiikan on oltava kohdennettua ja kustannustehokasta. Yksi koko sopiva lähestymistapa ei yksinkertaisesti saa aikaan työtä. Päättäjät tarvitsevat selkeän, kattavan resurssin, jossa hahmotellaan energiapolitiikat, joilla on suurin vaikutus ilmastotulevaisuuteen, ja kuvataan, miten nämä politiikat suunnitellaan hyvin. Saatavana Amazon

Tämä muuttaa kaikkea: kapitalismi vs. ilmasto

kirjoittanut Naomi Klein
In Tämä muuttaa kaiken Naomi Klein väittää, että ilmastonmuutos ei ole pelkästään toinen asia, joka on jätettävä verojen ja terveydenhuollon välillä. Se on hälytys, joka kutsuu meitä vahvistamaan taloudellisen järjestelmän, joka on jo meitä monin tavoin epäonnistumassa. Klein rakentaa huolellisesti tapaa, jolla kasvihuonekaasupäästömme vähentäminen on meidän tilaisuutemme vähentää samanaikaisesti eriarvoisuutta, kuvitella rikkoutuneita demokratiojamme uudelleen ja rakentaa taloutemme. Hän paljastaa ilmastonmuutoksen denierien ideologisen epätoivon, mahdollisten geoengineerien messiaaniset harhaluulot ja liian monien vihreiden aloitteiden traagisen defeatismin. Ja hän osoittaa täsmälleen, miksi markkinat eivät ole - eivätkä voi - korjata ilmastokriisiä, vaan pahentavat sen sijaan entistä äärimmäisempiä ja ekologisesti haitallisia uuttomenetelmiä, joihin liittyy riehuva katastrofi kapitalismi. Saatavana Amazon

Julkaisijasta:
Ostot Amazon-palvelussa kulkevat sinut tuodakseen InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, ja ClimateImpactNews.com maksutta ja ilman mainostajia, jotka seuraavat seurantatapojasi. Vaikka napsautat linkkiä, mutta älä osta näitä valittuja tuotteita, kaikki muut, jotka ostat samassa Amazon-vierailussa, maksaa meille pienen palkkion. Sinulle ei aiheudu lisäkustannuksia, joten olkaa hyvä ja edistäkää työtä. Voit myös käytä tätä linkkiä käyttää Amazonia milloin tahansa, jotta voit auttaa tukemaan ponnisteluja.